基于ADINA热力管道破坏预测的研究

张鹏飞，冷玲倻

（江西科技学院 土木工程学院，江西 南昌 330098）

基于ADINA热力管道破坏预测的研究

张鹏飞，冷玲倻

（江西科技学院 土木工程学院，江西 南昌 330098）

随着城市现代化进程的加快和地上空间的日益紧张，热力管道采用直埋的方式越来越普遍。基于ADINA有限元平台，研究管道特性、管内流体等对直埋热力管道破坏的影响，建立考虑场地条件、管道特性、热力耦合、流固耦合等因素的有限元模型，分析管道裂缝扩展过程，并提出防护措施及建议。

热力管道；流固耦合；热力耦合；ADINA；破坏预测

0 引言

热力管道是城市生命线工程的重要组成部分，针对破坏后再检测的技术已经非常成熟，但这些检测技术仍不能从源头上预测和阻止管道的破坏，即不能满足热力管道制定防灾预案和采取工程措施的需要，在对热力管道的研究中，国内外专家做了大量的工作，其中理论和试验研究较多，且由于计算的繁琐和管道所处的环境非常复杂，这两种方法不能很好的反应实际情况，因此以直埋热力管道为研究对象，基于ADINA有限元平台，研究场地条件、管道特性、管内流体、热力耦合、流固耦合等因素对直埋热力管道的影响。

1 工程概况

本文依据管道工作的实际环境，选取的整体结构模型为7m×10m×8m，假设场地为双层结构，上层为土壤，下层为基岩，并且存在断层切断的场地岩土层，管道跨越断层敷设。管道采用双线性塑性材料模型，管道上作用的荷载分为静载和动载两种。管道和周围土体的参数如表1所示。

表1 管道及场地环境参数

2 ADNIA模型

2.1 几何模型建立

首先是单元类型的设定，定义管道为壳单元：shell element，岩土定义为三维实体单元：3D solid element，断层处不设单元，如果是软弱夹层时定义为三维实体单元。

设定单元类型后，进而确定材料的属性，管道弹性模量为2.07×107MPa，泊松比为0.29，密度为7 800 kg/m3，岩土分层情况为：上层为砂粘土，中间为中砂，下层为石灰岩。岩土的材料属性如表2所示。

表2 岩土材料参数

定义好单元类型和材料属性后，考虑场地和断层影响的建模方法为：采用ADINA-M菜单下的Parasolid建立几何模型，用切片Sheet和体修改器Body Modifier对几何体进行修饰，切片用来切出断层的位置，体修改器Body Modifier用于将断层与土层分开。最后通过ADINA中布尔操作Boolean Operator实现各管道与土体和断层之间的融合。

流固耦合考虑的是管道和流体之间的耦合，ADINA需要分别建立流体模型和固体模型，然后选定流固耦合相互作用（Fluid Structure Interaction）选项来考虑流固耦合。

热力耦合作用下管道破坏分析的数值模型需要建立几何尺寸、单元类型、网格划分相同的结构模型和热力模型，设定材料是随温度可变，通过选择Conctrol中的Miscellaneous File I/O，把Temaperature设置为Date Read from File进行设定，最后通过ADINATMC把结构模型与热力模型结合起来计算，从而达到热力耦合的效果，建立好的几何模型如图1所示。

图1 几何模型

2.2 施加边界条件及荷载

边界条件的设定要根据断层的类型来确定，可假定断层一盘不动，另一盘相对该盘运动，可将不动盘固定，故约束加在断层不动一层的地面。作用在模型上的荷载类型见表3所示，重力荷载直接加到整个模型上，方向竖直向下，位移荷载加到上盘岩石上，方向沿断层倾角斜向下，对于地震荷载是把集中力作用到上盘岩石上，进而使其带动上盘土体运动，导致管道破坏。

表3 作用于管道上的荷载参数

2.3 网格划分

在进行网格划分之前需要先定义几何模型的单元组，然后定义同一单元中不同体的网格密度，最后定义网格节点生成网格。本文的几何模型按长度进行划分，管道选用8节点单元，土体选用4节点。网格划分如图2所示。

图2 网格划分

2.4 求解结果

模型结果的处理都是基于管道的应力应变等情况来进行分析的，即所有的结果分析都是针对管道上点或整体进行分析。结果分析所选用的具体情况如表4所示。

表4 结果选取

3 结果分析

本文的基本模型参数为：管径0.4m，壁厚为0.012m埋深为2m，流体采用4℃的水，流速为10m/min。并且规定应力与应变：受拉为正，受压为负。

3.1 管道特性影响分析

管土特性分析时采用的为基本模型参数，不同的是管道的埋深还考虑了1m，3m，4m的影响，图5为管道埋深分别为1m，2m，3m，4m时的模型进行计算所得由图5（a）可以得出：随着管道埋深加深管道的剪应力基本呈增长趋势，由（b）可以分析出埋深越深管道在跨越断层时破坏越严重，故管道在穿越断层时应尽量浅埋。

图5 不同埋深下管道的应力应变

3.2 热力耦合作用下的管道破坏分析

热力耦合作用分析时采用的为基本模型参数，热力耦合模型把管内热媒介质看成热源，热源的温度均为120℃，该模型分别考虑了静荷载（重力）和动荷载（线性位移荷载、地震荷载）下管道的最大点应力和应变的时程曲线。从图6（a）、（b）中可以分析得出热力耦合作用对管道的轴向应力值影响较大，与不考虑温度相比，应力值有数量级上的变化。考虑热力耦合作用时管道的轴向应变呈线性增长，说明管道轴向应变破坏主要是由热敏材料受热膨胀引起的。

由图6（c）、（d）可以分析得出：在动荷载作用下，考虑热力耦合作用不会对管道应力值有太大的影响，因此管道的破坏主要是由动荷载作用引起的应力集中导致的。动荷载作用下的轴向应变值随温度的增大，应变值也有数量级上的变化。

3.3 流固耦合作用下的管道破坏分析

流固耦合作用分析时采用的为基本模型参数，模型采用的流体为4℃的水，流速分别为10m/min，30m/min，50m/min，100m/min。图7为在静力荷载下(重力)流体流速对管道轴向应力、轴向应变和环向应力、环向应变的影响，由图可以分析得出随着流速的增大，管道的应力应变呈增长趋势，故流速越大，管道越容易产生应力集中对管道越不利。

4 结论

管土之间的摩擦力在管道破坏中起主要作用，可以通过改善场地土与管道间的摩擦系数来提高管道抗破坏的能力。

图6 热力耦合作用下管道的应力应变

图7 流体流速对管道应力应变的影响

考虑温度时，对管道的轴向和环向应力应变影响较大，因此可以通过布置管道轴向补偿器来减少温度引起的轴向破坏。

随着流体流速的加快，管道受压力越大破坏越严重，故尽量降低管内流体的流速。

[1]L.Clapham,V.Babbar,James Byrne.Detection of mechanical damage using the magnetic flux leakage technique.The 16th WCNDT,2004.

[2]陈贵红.沉管隧道抗震数值分析[D].成都,西南交通大学,2002:25-26.

[3]弓培林,靳钟铭.大采高采场覆岩结构特征及运动规律研究[J].煤炭学报,2004,29(1):7-11.

[4]长春地质学院工程地质教研室.工程岩土学[M].北京:地质出版社,1980.

（责任编辑：陈 辉）

Research on Heat Pipeline Failure Prediction Based on ADINA

ZHANG Peng-feiLENG Ling-ye
(Jiang Xi University of Technology,Nanchang 330098,China)

With the development of city modernization,the space above ground is becoming increasingly limited,thus burying heat pipeline directly becomes more and more common.Based on the platform of ADINA finite element method,this articles studies the influence of the characteristics of pipe and tube fluid on the damage of buried heating pipeline,establishes the finite element model in terms of the factors of site conditions,pipeline characteristics,thermal coupling,fluid-structure coupling etc,analyzes the expanding process of pipeline crack and puts forward the protection measures and suggestions.

heating pipeline,fluid-structure interaction,thermal coupling,ADINA,damage prediction

TU11

A

123（2014）03-0034-04

2013-11-25

张鹏飞（1986-），男，河北省鹿泉人，江西科技学院，硕士。研究方向：结构工程和防震减灾。

江西科技学院自然科学基金项目“CFRP加固锈蚀钢筋混凝土柱恢复力模型研究”（NO.ZR13YB10）。